电弧反应产生烟尘中余热利用之节能环保电弧炉的探讨

2023-12-02周章怀李庆元卿晓斌刘继旺蔡中开杨海云王文强

玻璃 2023年11期

周章怀李庆元卿晓斌刘继旺蔡中开杨海云王文强

（瑞泰科技股份有限公司湘潭分公司湘潭 411228）

0 引言

电弧炉是一种通过金属、非金属产生电弧过程中产生的高温来对矿石或金属等物质进行熔炼的工业炉，具有体积小、操作简单、灵活性大、温度受控、性能较强等诸多优点，起初仅用于冶炼合金钢，现已在工业领域广泛应用。

生产电熔耐火材料使用的原料属于难熔物料（熔化温度2000～2800 ℃）［1］，电弧在电极和熔融物料之间放电，直接加热物料。现有技术中的耐火材料在电弧炉中冶炼，通过在电弧炉中加入原料进行电极通电以实现一系列反应，由于炉中冶炼的温度较高，弧区温度有时达3000℃以上，炉内会产生大量含有灰尘的烟气，该烟气会从电极与电极孔之间的间隙飘出，进而飘至设备现场的空气中。专利ZL201721239490.6［2］公开了一种便于抽尘筒转动的环保电弧炉，采用设置抽尘装置的方式对电弧炉进行除尘，但是在实际生产中考虑到该抽出的烟气含有大量的热量，没有得到有效的再利用，而且耐火材料（如氧化铝、锆英砂、纯碱的混合粉料造粒）在电弧炉中处理之前也需要再进行预热烘干处理，本文针对现有的电弧炉进行结构优化，以实现节能降耗。

钢铁行业利用电炉炼钢烟气中的物理热和化学热，进行废钢预热［3］。生产电熔耐火材料使用的电弧炉可参考冶金钢铁炉数据，考虑能量单耗时，首先有必要分析其输出热量。输出热量除了有效的熔融耐火材料液的焓和其精炼所必要的焓之外，作为热损失部分有排除气体的热损失，水冷壁、炉盖方面的热损失以及电气、其他热损失［4］。根据炼钢炉有关报道，降低能耗单耗重要的是减少整个输出热量，因此首先要减少约43%的热损失，其中排出气体热损失23.6%，水冷壁、炉盖的热损失8.6%，电气、其他热损失3.6%［4］。

鉴于此，电弧反应产生烟尘气中余热复用势在必行。

1 技术方案

余热利用节能环保电弧炉结构设计的技术方案主视图如图1所示。

图2 A处局部结构放大示意图

图3 炉盖结构俯视图

图4 翅片与内环体立体结构示意图

炉体内部中空，底部具有熔池，顶部具有炉盖（为水冷式）；炉盖上围绕中心设置有若干个电极孔和加料孔；还包括设置于炉盖上的烟罩和螺旋翅片旋转体；其中，烟罩包括：烟罩内环体、烟罩外环体和烟罩顶盖，烟罩内环体围绕电极孔设置，且烟罩内环体上端开口，下端与炉盖抵接，烟罩内环体内壁上还设有进烟孔；烟罩内环体与烟罩外环体上端通过烟罩顶盖相接，烟罩顶盖上一侧设有抽烟管，另一侧设有进料口。

该电弧炉在具体工作过程中，电极向下伸入至熔池料中，该料为需要加热反应的耐火颗粒料，如工业氧化铝、锆英砂、纯碱的混合粉料，可预制成颗粒，通过放电熔解，发生复杂的物理化学反应，产生大量的烟尘气，一部分从电极与电极孔之间的间隙中溢出，此时，一部分烟尘气在抽烟管作用下通过进烟孔、过烟孔进入螺旋翅片之间，并向上排出至下一步处理；另一部分烟尘气也可以经过加料孔后向上移动排出。

当需要加新料时，混合粉料颗粒通过进料口落至螺旋翅片上，并沿螺旋向下的方向移动并摊开，在高温烟尘气的作用下被快速预热，最终经过料通道、加料孔落至熔池中发生反应，大幅提高了能量回收利用率，而且加料过程产生的粉尘也会被抽出处理，不至于现场产生大量的粉尘；其中，旋转底板可以在旋转机构驱动下，绕轴线转动，便于进料口处的粉料均衡落至各螺旋翅片之间的螺旋道里。

旋转底板与烟罩外环体的旋转连接处设有第一旋转密封结构，相应地，旋转底板与炉盖（可以为水冷炉盖）的旋转连接处设有第二旋转密封结构，两处形成动密封，保证螺旋翅片旋转体各处的气密性。

第一旋转密封结构为旋转外环体外围的第一盛水环槽，烟罩外环体下端浸入第一盛水环槽中；第二旋转密封结构为炉盖外围的第二盛水环槽，旋转底板底部设有浸入第二盛水环槽中的环状挡板，两处通过水密封来保证密封性，便于制造，而且也有助于隔热。

过烟孔处设有开口朝下的挡料罩，从而防止下落的粉料进入过烟孔中。旋转外环体下方还设有用以将料导向过料通道处的倒锥体，起到导向作用，便于颗粒料能够顺利落入至过料通道处。为了便于颗粒料能够顺利沿螺旋下落，螺旋翅片的旋向为左旋，螺旋翅片旋转体沿顺时针旋转，其旋转时不会对颗粒料层形成倾斜向上的力，从而减小积压颗粒料的可能性。

2 技术原理

与现有技术相比，该节能环保电弧炉余热利用的技术原理为：电弧炉上设有螺旋翅片旋转体，当抽出烟尘气时，气氛中的大量余热便对摊在螺旋翅片上的耐火材料颗粒料层进行快速预热。

（1）收尘孔与电极孔处飘出的烟尘气向上四周扩散经过进烟孔、过烟孔后经过各层螺旋翅片之间，在较大散热面积作用下，温度快速分散用于加热其上的混合颗粒料层，使其快速升温，颗粒料越向下移动越接近炉内的温度，可有效降低电极加热所消耗的能量；而且这种向上抽气的方式有效阻止了空气中的杂质气氛进入到发红高温的电极上而导致其氧化，因此，该进气结构在一定程度上降低了电极的消耗。

（2）抽气结构既可以有效抽出炉内反应产生的烟尘进行后处理，又同时将传统上料过程中所产生的粉尘一并抽出，一举两得，大幅改善了现场的工作环境。